下霍矿新建回风井工业广场保安煤柱设计

牛志杰

（山西三元煤业股份有限公司下霍煤矿，山西 长治 046000）

为避免煤炭开采采空区沉陷对地表构筑物、巷道等影响，需要留设一定范围的保安煤柱[1]。合理留设保安煤柱对确保地面构筑物稳定以及煤炭资源高效利用等均有重大意义[2]。下霍矿新建回风井用以井下通风，根据区域地质情况，提出采用垂线法确定保护煤柱，以期在确保回风巷围岩稳定基础上提升煤炭资源利用率。

1 工程概况

新建回风井工业广场位于下霍井田中部，占地面积约0.93 万m2。新建回风井工业广场地面建筑类型包括设有桥式吊车的工业厂房等，构筑物较为重要。新建回风井工业广场地势较为平坦，由南向北逐渐降低，地表标高+946 m。在新建风井工业周边有3602#、3603#、3704#三个钻孔，钻孔探测结果见表1。松散层厚均值92.6 m，3 号煤埋深494 m，倾角3°～8°。

表1 探测钻孔探测参数

2 围护带宽度、松散层及移动角确定

2.1 围护带宽度选择

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（以下简称“规范”）相关要求，新建回风井工业广场确定保护等级为Ⅱ级，依据表2 所述建筑物各保护等级的围护带宽度，新建回风井工业广场围护带宽度为15 m[3-4]。

表2 建筑物各保护等级的围护带宽度

2.2 松散层移动角选择

矿区新建回风井工业广场一带松散层平均厚度为92.6 m，参照“规范”中关于松散层移动值φ取值要求，当松散层厚度大于60 m 时，松散层移动角φ取60°，为此确定φ=60°。

2.3 岩层移动角选择

在保护煤柱设计时移动角采用类比法确定，结合下霍矿现有的生产条件、以往保护煤柱留设技术方法，并按照相关规范标准要求，最终选用的下山、上山方向移动角β、γ分别为68°、71°，走向方向移动角δ为70°。

3 垂线法圈定保安煤柱边界

3.1 圈定受护边界

2021 年10 月地测科相关测量人员用GPS 对新建回风井工业广场围墙边界进行了实地测量，作为保护煤柱的受护边界。

3.2 圈定围护带

在新建回风井工业广场保安煤柱地形图上，共由4 个拐点组成，由于新建回风井工业广场按Ⅱ级进行保护，在原有受护边界外加15 m 即得到围护带边界，边界为W1、W2、W3、W4 拐点连线。

3.3 圈定松散层移动边界

依据新建回风井工业广场保安煤柱松散层厚度，根据公式（1）可计算松散层移动垂线长[5-7]：

l=hcotφ（1）

式中：h为松散层厚度，m；φ为松散层移动角，取60°。具体结果见表3。

表3 松散层移动垂线长 m

保安煤柱松散层等厚线图上，依据围护带各拐点W1、W2、W3、W4 位置、松散层移动垂线长即可得到松散层移动各拐点H1、H2、H3、H4 位置，各拐点连线即为松散层移动边界。

3.4 保安煤柱边界确定

各拐点地表标高与松散层间差值即为层面标高，而岩层厚度为岩层面标高与拐点对应煤层底板标高之差，具体各拐点位置确定的岩层厚度见表4。

表4 各拐点的岩层厚度 m

在新建回风井工业广场保安煤柱3 号煤层底板等高线图上，得到H1、H2、H3、H4 各拐点位置煤层倾角α，具体见表5。

表5 各拐点煤层倾角

斜交剖面的上山方向岩层移动角：

斜交剖面的下山方向岩层移动角：

上山方向岩层移动垂线长：

下山方向岩层移动垂线长：

式中：H为岩层厚度，m；β、γ为下、上山方向岩层移动角；θ为松散层移动边界与煤层倾向线间夹角（锐角）；α为煤层倾角。结合下霍矿条件，根据（2）～（5）公式计算求得各垂线长度，具体见表6。

表6 各拐点的岩层移动垂线长

根据所求得的Q或L值，依次在各拐点作对应垂线得保护煤柱边界各拐点B1、B2、B3、B4 位置，上述各拐点连线即为保安煤柱边界，具体如图1，用图解法得出保安煤柱各拐点坐标值，具体见表7。

图1 保护煤柱范围（m）

表7 保安煤柱各拐点坐标值

3.5 压煤量计算

从新建回风井工业广场保安煤柱图上，量得井田内新建回风井工业广场保安煤柱的压煤面积为263 547 m2，其中，DX2 陷落柱损失煤柱面积为1603 m2。具体压煤量可通过下述公式计算：

式中：Q为资源量，万t；S为斜面面积，取值261 944（263 547-1603）m2；h为煤厚，取值5.1 m；d为煤层视密度，取值1.35 t/m3。求得压煤量Q=（263 547-1603）×5.1×1.42 ≈189.7 万t。

4 结语

垂线法是保护煤柱留设时常用计算方法，具有计算简单优点，在保障矿井煤炭资源安全回采同时可有效减少煤柱压煤损失。依据下霍矿新建回风井现场实际情况采用垂线法确定保安煤柱边界，在垂线法应用时首先应根据建筑物重要程度确定保护等级为Ⅱ类，围护带宽度为15 m；采用工程类比法并结合相关规范要求，确定下山、上山方向移动角β、γ分别为68°、71°，走向方向移动角δ为70°。根据垂线法计算要求，得到保安煤柱边界拐点并给出保安煤柱各拐点坐标值；对保护煤柱压煤量进行计算，最终求得3 号煤层压煤量为189.7 万t。研究成果可为其他矿井采用垂线法确定保安煤柱时提供经验参考。